DE102004012332A1

DE102004012332A1 - A fuel cell assembly

Info

Publication number: DE102004012332A1
Application number: DE102004012332A
Authority: DE
Inventors: Willfried Müller
Original assignee: Masterflex SE
Current assignee: Masterflex SE
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-09-29
Also published as: EP1575113A3; EP1575113A2

Abstract

Es werden eine Brennstoffzellenanordnung mit mehreren geschichteten Brennstoffzellen und ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennstoffzellenanordnung vorgeschlagen. Um eine übermäßige Befeuchtung einzelner Brennstoffzellen zu vermeiden, wird der Gasstrom durch die Brennstoffzellen einzelweise oder gruppenweise in Abhängigkeit von der Leistung, der Spannung, dem Strömungswiderstand, dem Befeuchtungsgrad oder einem sonstigen damit korrelierten Wert der jeweiligen Brennstoffzelle gesteuert oder geregelt. Vorzugsweise wird der Druckabfall, Strömungswiderstand oder ein sonstiger, vom Befeuchtungsgrad abhängiger Wert der Brennstoffzellen einzeln durch eine Druckmessung bestimmt.It be a fuel cell assembly with multiple layered Fuel cells and a method for operating such Fuel cell arrangement proposed. To excessive humidification to avoid individual fuel cells, the gas flow is through the fuel cells individually or in groups depending on from the power, the voltage, the flow resistance, the degree of humidification or another correlated value of the respective fuel cell controlled or regulated. Preferably, the pressure drop, flow resistance or another, depending on the degree of humidification value of the fuel cell individually determined by a pressure measurement.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 16.The The present invention relates to a fuel cell assembly according to the preamble of claim 1 and a method according to the preamble of the claim 16th

Brennstoffzellen zeichnen sich durch einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, niedrige Schadstoffemissionen sowie geringe Geräuschentwicklung aus und sind insbesondere zum Antrieb von Fahrzeugen bzw. zur mobilen Erzeugung elektrischer Energie sehr gut geeignet. Insbesondere wird eine Brennstoffzelle mit einer Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) aufgrund ihres verhältnismäßig niedrigen Betriebstemperaturbereichs, ihrer Robustheit und ihrer Toleranz gegenüber Druckschwankungen favorisiert.fuel cells characterized by high electrical efficiency, low Pollutant emissions and low noise and off in particular for driving vehicles or for mobile generation electrical energy very well suited. In particular, a fuel cell with a polymer electrolyte membrane (PEM) due to its relatively low Operating temperature range, their robustness and their tolerance across from Pressure fluctuations favored.

Bei einer PEM-Brennstoffzelle wird vorzugsweise Wasserstoff als Brenngas oder sonstiger Brennstoff, wie Methanol, eingesetzt. Der Wasserstoff wird an einer insbesondere Platin als Katalysator aufweisenden Anode zerlegt und zu Protonen oxidiert, die durch die PEM zu einer Kathode gelangen und dort mit zugeführtem Sauerstoff reagieren und Wasser bilden. Bei einer PEM ist ein gewisser Anteil an Wasser bzw. eine gewisse Befeuchtung für die gewünschte Ionen- bzw. Protonenleitung erforderlich. Eine ausreichende Befeuchtung der PEM und eine Abführung des entstehenden Wassers sind für die Funktion der Brennstoffzelle und einen hohen Wirkungsgrad wesentlich.at A PEM fuel cell is preferably hydrogen as fuel gas or other fuel, such as methanol. The hydrogen is on an anode, in particular platinum as a catalyst decomposed and oxidized to protons through the PEM to a cathode arrive and there with supplied Oxygen react and form water. In a PEM is a certain Proportion of water or a certain moistening for the desired ion or proton conduction required. A sufficient humidification of the PEM and a discharge of the arising water are for the function of the fuel cell and high efficiency essential.

Die DE 100 48 331 A1 , die den Ausgangspunkt der vorliegenden Erfindung bildet, offenbart eine Anordnung aus geschichteten Brennstoffzellen – einen sogenannten Brennstoffzellenstack. Die Brennstoffzellen sind parallel an eine Luftzuführung und Luftableitung zur kathodenseitigen Versorgung mit Sauerstoff und parallel an eine Brenngaszuleitung und Brenngasableitung zur anodenseitigen Versorgung mit Brenngas angeschlossen.The DE 100 48 331 A1 , which forms the starting point of the present invention, discloses an arrangement of layered fuel cells - a so-called fuel cell stack. The fuel cells are connected in parallel to an air supply and air discharge to the cathode-side supply of oxygen and in parallel to a fuel gas supply and fuel gas discharge to the anode-side supply of fuel gas.

Beim Betrieb einer PEM-Brennstoffzelle führt das entstehende Wasser zu Problemen. Insbesondere übermäßige Feuchtigkeit bzw. Befeuchtung der PEM erhöht den kathodenseitigen Strömungswiderstand für zugeführtes Gas, wie Luft oder ein sonstiges Oxidationsgas, und senkt die elektrische Leistung der jeweiligen Brennstoffzelle. Der sich erhöhende Strömungswiderstand hat zur Folge, daß sich in der jeweiligen Brennstoffzelle aufgrund der Parallel-Schaltung aller Brennstoffzellen der Gasstrom und damit der Abtransport von Feuchtigkeit bzw. Wasser durch den Gasstrom reduzieren, so daß der Befeuchtungsgrad der PEM in unerwünschter Weise weiter ansteigt.At the Operation of a PEM fuel cell carries the resulting water to problems. In particular, excessive moisture or moistening of the PEM increased the cathode-side flow resistance for supplied gas, such as air or other oxidizing gas, and lowers the electrical Performance of the respective fuel cell. The increasing flow resistance has the consequence that in the respective fuel cell due to the parallel connection of all fuel cells the gas flow and thus the removal of moisture or water reduce by the gas flow, so that the moistening of the PEM in unwanted Way continues to increase.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenanordnung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren Brennstoffzellen anzugeben, so daß eine optimale Gasversorgung und damit eine optimale Leistung der einzelnen Brennstoffzellen ermöglicht werden.Of the The present invention is based on the object, a fuel cell assembly and a method of operating a fuel cell assembly specify with multiple fuel cells, so that an optimal gas supply and thus optimum performance of the individual fuel cells allows become.

Die obige Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenanordnung gemäß Anspruch 1 oder ein Verfahren gemäß Anspruch 16 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The The above object is achieved by a fuel cell assembly according to claim 1 or a method according to claim 16 solved. Advantageous developments are the subject of the dependent claims.

Eine grundlegende Idee der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine vorzugsweise für alle Brennstoffzellen gemeinsame Gassteuereinrichtung zur einzelweisen oder gruppenweisen Steuerung der Gasströme durch die sogenannten Strömungsfelder der Brennstoffzellen vorzusehen. Die Gasströme, insbesondere die kathodenseitigen Gasströme für Luft oder ein sonstiges Oxidationsgas, durch die Strömungsfelder können also für die Brennstoffzellen einzeln oder gruppenweise, also unabhängig von den Gasströmen durch andere Brennstoffzellen gesteuert und gegebenenfalls geregelt werden. So sind die Gasströme in einzelnen Brennstoffzellen unabhängig von anderen Brennstoffzellen derart variierbar, daß insbesondere eine übermäßige kathodenseitige Befeuchtung der jeweiligen Brennstoffzelle, insbesondere deren PEM, durch Steuerung bzw. Regelung des jeweiligen Gasstroms verhinderbar ist.A basic idea of the present invention is therein, preferably for all Fuel cell common gas control device for individual ways or groupwise control of the gas flows through the so-called flow fields of Provide fuel cells. The gas streams, in particular the cathode side gas flows for air or any other oxidizing gas through which flow fields can so for the Fuel cells individually or in groups, that is independent of the gas streams controlled by other fuel cells and optionally regulated become. Such are the gas flows in individual fuel cells independent of other fuel cells variable so that in particular an excessive cathode side Humidification of the respective fuel cell, in particular its PEM, preventable by controlling or regulating the respective gas flow is.

Ein sehr einfacher, besonders bevorzugter Aufbau der Gassteuereinrichtung sieht vor, daß ein Steuerrohr in einem gemeinsamen Steuerkanal angeordnet ist, wobei das Steuerrohr Durchbrechungen aufweist und axial bewegbar und/oder verdrehbar ist, so daß den Strömungsfeldern einzelweise Steuerluft oder zusätzlich Gas zur Steuerung der jeweiligen Gasströme zuführbar sind.One very simple, particularly preferred construction of the gas control device provides that a head tube is arranged in a common control channel, wherein the control tube Having openings and axially movable and / or rotatable is so that the flow fields individual control air or in addition Gas can be supplied to control the respective gas streams.

Gemäß einer Ausführungsvariante wird die elektrische Leistung oder Spannung der einzelnen Brennstoffzellen überwacht, wobei ein Abfall der Leistung bzw. Spannung ein Ansteigen des Befeuchtungsgrads der jeweiligen Brennstoffzelle anzeigt. Insbesondere bei Überschreiten eines gewissen Grenzwerts wird dann der Gasstrom für diese Brennstoffzelle erhöht, um den Befeuchtungsgrad wieder zu verringern.According to one variant the electrical power or voltage of the individual fuel cells is monitored, wherein a drop in power or voltage is an increase in the degree of humidification indicates the respective fuel cell. Especially when crossing a certain limit then becomes the gas flow for this Fuel cell increases, to reduce the degree of humidification again.

Gemäß einer anderen, auch unabhängig realisierbaren Idee der vorliegenden Erfindung wird der Druckabfall, Strömungswiderstand oder ein sonstiger, vom Befeuchtungsgrad abhängiger Wert der Strömungsfelder für jede Brennstoffzelle einzeln bestimmt. Dies erfolgt vorzugsweise mittels eines gemeinsamen Drucksensors in der Gasableitung durch einzelweises, vorzugsweise pulsartiges Beaufschlagen der Strömungsfelder mit Gas. In Abhängigkeit von einer Erhöhung des Druckabfalls, des Strömungswiderstands oder eines sonstigen, vom Befeuchtungsgrad abhängigen Werts beim jeweiligen Strömungsfeld kann der Gasstrom oder Versorgungsdruck der jeweiligen Brennstoffzelle in geeigneter Weise erhöht werden. Dies kann auch dazu benutzt werden, um baulich bedingte Unterschiede auszugleichen und einen für einen optimalen Betrieb aller Brennstoffzellen günstigen Strömungszustand durch die Brennstoffzellen herzustellen.According to another idea, which can also be implemented independently, of the present invention, the pressure drop, flow resistance or any other value of the flow fields dependent on the degree of humidification is determined individually for each fuel cell. This is preferably done by means of a ge common pressure sensor in the gas discharge by single, preferably pulse-like pressurization of the flow fields with gas. Depending on an increase in the pressure drop, the flow resistance or any other value dependent on the degree of humidification in the respective flow field, the gas flow or supply pressure of the respective fuel cell can be increased in a suitable manner. This can also be used to compensate for structural differences and to produce a favorable for optimal operation of all fuel cells flow state through the fuel cell.

Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es zeigt:Further Advantages, features, characteristics and aspects of the present invention will be apparent from the following description of a preferred embodiment based on the drawing. It shows:

1 eine schematische Seitenansicht einer vorschlagsgemäßen Brennstoffzellenanordnung; 1 a schematic side view of a proposed fuel cell assembly;

2 einen schematischen Schnitt durch eine Brennstoffzelle der Brennstoffzellenanordnung; 2 a schematic section through a fuel cell of the fuel cell assembly;

3 eine ausschnittsweise Vergrößerung von 2; und 3 a partial enlargement of 2 ; and

4 eine schematische Draufsicht der Brennstoffzellenanordnung im angeschlossenen Zustand. 4 a schematic plan view of the fuel cell assembly in the connected state.

In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Teil die selben Bezugszeichen verwendet, wobei entsprechende oder vergleichbare Eigenschaften und Vorteile erreicht werden, auch wenn eine wiederholte Beschreibung weggelassen ist.In the figures are for same or similar Part uses the same reference numerals, with corresponding or Comparable properties and advantages are achieved, even if a repeated description is omitted.

1 zeigt in schematischer Darstellung eine vorschlagsgemäße Brennstoffzellenanordnung 1 mit mehreren, aufeinander geschichteten Brennstoffzellen 2. Eine der Brennstoffzellen 2 ist zur Veranschaulichung geschnitten dargestellt. Anhand dieser Brennstoffzelle 2 wird nachfolgend der Aufbau der Brennstoffzellen 2, die vorzugsweise baugleich ausgebildet sind, erläutert. 1 shows a schematic representation of a proposed fuel cell assembly 1 with several, stacked fuel cells 2 , One of the fuel cells 2 is shown cut for illustration. Based on this fuel cell 2 is the structure of the fuel cell below 2 , which are preferably of identical construction, explained.

Die Brennstoffzelle 2 weist eine Anode 3, eine Membran 4 und eine Kathode 5 auf. Die Anode 3 und die Kathode 5 sind vorzugsweise auf gegenüberliegenden Seiten der vorzugsweise ausschließlich Protonen leitenden Membran 4 angeordnet.The fuel cell 2 has an anode 3 , a membrane 4 and a cathode 5 on. The anode 3 and the cathode 5 are preferably on opposite sides of the preferably exclusively proton-conducting membrane 4 arranged.

Bei der Anode 3 handelt es sich insbesondere um eine Drei-Phasen-Schicht, wie bei Brennstoffzellen bekannt, beispielsweise aus Graphit, einem Katalysator-Material, wie ein Metall oder eine Legierung der Platin-Gruppe, und einem geeigneten Protonen leitenden Material. Die Kathode 5 kann entsprechend aufgebaut sein.At the anode 3 in particular, it is a three-phase layer, as known in fuel cells, for example of graphite, a catalyst material, such as a metal or an alloy of the platinum group, and a suitable proton-conducting material. The cathode 5 can be structured accordingly.

Brenngas, insbesondere Wasserstoff, ist der Anode 3 über ein anodenseitiges Strömungsfeld 6 zuführbar. Im Falle von Wasserstoff erfolgt an der Anode 3 eine Zerlegung und eine Oxidation zu Protonen, die durch die Membran 4 zu der Kathode 5 geleitet werden, an der sie mit Sauerstoff zu Wasser reagieren.Fuel gas, especially hydrogen, is the anode 3 via an anode-side flow field 6 fed. In the case of hydrogen takes place at the anode 3 a decomposition and oxidation to protons passing through the membrane 4 to the cathode 5 where they react with oxygen to form water.

Durch ein kathodenseitiges Strömungsfeld 7 wird zur Bereitstellung des Sauerstoffs oder eines sonstigen Oxidationsgases vorzugsweise Luft der Kathode 5 zugeführt.Through a cathode-side flow field 7 For example, to provide the oxygen or other oxidizing gas, it is preferably air from the cathode 5 fed.

Die Membran 4 trennt also die beiden Strömungsfelder 6 und 7 bzw. das Brenngas und das Oxidationsgas voneinander. Insbesondere handelt es sich bei der Membran 4 um eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) oder eine Membran aus einem sonstigen geeigneten Material.The membrane 4 separates the two flow fields 6 and 7 or the fuel gas and the oxidizing gas from each other. In particular, it is the membrane 4 a polymer electrolyte membrane (PEM) or a membrane of any other suitable material.

In der schematischen Darstellung sind die der Membran 4 zugeordnete Anode 3 und Kathode 5 nur schematisch gezeigt. Beispielsweise Bipolarplatten oder sonstige elektrische Anschlußeinrichtungen für die Anode 3 und die Kathode 5 sind aus Vereinfachungsgründen nicht dargestellt und dienen einer Abführung der von der Brennstoffzelle 2 erzeugten elektrischen Energie, wenn beispielsweise Wasserstoff zu Wasser in der Brennstoffzelle 2 oxidiert wird.In the schematic representation are those of the membrane 4 assigned anode 3 and cathode 5 shown only schematically. For example, bipolar plates or other electrical connection devices for the anode 3 and the cathode 5 are not shown for reasons of simplification and serve to discharge the fuel cell 2 generated electrical energy when, for example, hydrogen to water in the fuel cell 2 is oxidized.

Je nach Temperatur liegt das kathodenseitig entstehende Wasser in flüssiger und/oder gasförmiger Form vor. Der Gasstrom durch das kathodenseitige Strömungsfeld 7 führt je nach eingangsseitiger Feuchte zu einer kathodenseitigen Trocknung, das heißt einem Abtransport von entstehendem Wasser. Zusätzlich kann entstehendes, insbesondere in flüssiger Form vorliegendes Wasser auch durch eine nicht gezeigte Ableitung oder dergleichen abgeleitet werden.Depending on the temperature, the water produced on the cathode side is present in liquid and / or gaseous form. The gas flow through the cathode-side flow field 7 Depending on the input-side humidity leads to a cathode-side drying, that is a removal of emerging water. In addition, resulting, in particular present in liquid form water can also be derived by a derivative, not shown, or the like.

Der Befeuchtungsgrad der Membran 4 ist für deren Protonen- bzw. Ionenleitfähigkeit wichtig und/oder für den Strömungswiderstand im Strömungsfeld 7 mit maßgebend. Dementsprechend ist die Leistung der Brennstoffzelle 2 vom Befeuchtungsgrad abhängig.The degree of moistening of the membrane 4 is important for their proton or ionic conductivity and / or for the flow resistance in the flow field 7 with authoritative. Accordingly, the performance of the fuel cell 2 depending on the degree of moistening.

Die Brennstoffzellen 2 sind einerseits mit ihren anodenseitigen Strömungsfelder 6 parallel an eine in 1 nicht dargestellte Brenngaszuführung und -ableitung und andererseits mit ihren kathodenseitigen Strömungsfeldern 7 parallel an eine Gaszuführung 8 und eine Gasableitung 9 zur Versorgung mit Luft oder sonstigem Oxidationsgas angeschlossen.The fuel cells 2 are on the one hand with their anode-side flow fields 6 parallel to an in 1 Not shown fuel gas supply and discharge and on the other hand with their cathode-side flow fields 7 parallel to a gas supply 8th and a gas discharge 9 connected to the supply of air or other oxidizing gas.

In 1 ist angedeutet, daß die Gaszuführung 8 einen Zuführkanal 10 und die Gasableitung 9 einen Ableitungskanal 11 aufweist, wobei die Kanäle 10, 11 jeweils die Brennstoffzellen 2 durchgreifen und die Strömungsfelder 7 an diese Kanäle 10, 11 angeschlossen sind.In 1 is indicated that the gas supply 8th a feed channel 10 and the gas discharge 9 a drainage channel 11 having, wherein the channels 10 . 11 each of the fuel cells 2 go through and the flow fields 7 to these channels 10 . 11 are connected.

2 zeigt in einem schematischen Schnitt gemäß Linie II-II von 1 die Brennstoffzelle 2 kathodenseitig. Die Kanäle 10 und 11 zur Zuführung und Ableitung von Gas und das daran angeschlossene Strömungsfeld 7 sind schematisch angedeutet. 2 shows in a schematic section along line II-II of 1 the fuel cell 2 the cathode side. The channels 10 and 11 for the supply and discharge of gas and the connected flow field 7 are indicated schematically.

Bei dem Strömungsfeld 7 kann es sich – wie beim Darstellungsbeispiel – um einen einzelnen, beispielsweise mäanderartig verlaufenden Kanal, aber auch um eine Vielzahl von parallelen Kanälen oder eine sonstige Strömungsfläche bzw. einen Strömungsbereich handeln. Der Begriff "Strömungsfeld" ist dementsprechend vorzugsweise in einem sehr weiten bzw. allgemeinen Sinn zu verstehen. Verschiedene konstruktive Lösungen sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.In the flow field 7 It may be - as in the illustration example - to a single, for example meandering running channel, but also to a plurality of parallel channels or other flow area or a flow area. Accordingly, the term "flow field" is preferably to be understood in a very broad or general sense. Various constructive solutions are known to those skilled in the art.

In 2 sind des weiteren eine Brenngaszuleitung 12 und eine Brenngasableitung 13 angedeutet, an die die in 2 nicht dargestellten anodenseitigen Strömungsfelder 6 der Brennstoffzellen 2 parallel angeschlossen sind.In 2 are also a fuel gas supply line 12 and a fuel gas discharge 13 indicated, to which the in 2 not shown anode-side flow fields 6 the fuel cells 2 connected in parallel.

Beim Darstellungsbeispiel sind also vorzugsweise alle Brennstoffzellen 2 strömungsmäßig jeweils anodenseitig und kathodenseitig parallel geschaltet.In the illustrated example, therefore, all fuel cells are preferably 2 fluidly connected on the anode side and the cathode side in parallel.

Zur Modifizierung der kathodenseitigen Gasströme durch die Strömungsfelder 7 weist die Brennstoffzellenanordnung 1 zusätzlich eine Gassteuereinrichtung 14 auf, wie in 2 nur schematisch angedeutet. Mittels der Gassteuereinrichtung 14 sind die Gasströme durch die Strömungsfelder 7 der Brennstoffzellen 2 einzelweise oder gruppenweise steuerbar bzw. regelbar.For modifying the cathode-side gas flows through the flow fields 7 has the fuel cell assembly 1 additionally a gas control device 14 on, like in 2 only indicated schematically. By means of the gas control device 14 are the gas flows through the flow fields 7 the fuel cells 2 individually or in groups controllable or controllable.

3 zeigt in einer ausschnittsweisen Vergrößerung von 2 die Gassteuereinrichtung 14, die beim Darstellungsbeispiel ein Steuerrohr 15 mit Durchbrechungen 16 in einem Steuerkanal 17 aufweist. Das Steuerrohr 15 ist mittels eines in 1 und 4 angedeuteten Antriebs 18, vorzugsweise einem Schrittmotor oder dergleichen, im Zuführkanal 17 drehbar. Die Durchbrechungen 16 sind derart ausgebildet und angeordnet, daß je nach Drehlage des Steuerrohrs 15 Verbindungskanäle 19 zwischen dem Steuerkanal 17 und den Strömungsfeldern 7 einzelweise oder gruppenweise – also für die Brennstoffzellen 2 nur einzeln oder für eine Gruppe von Brennstoffzellen 2 – freigebbar sind. Im freigegebenen Zustand, wie in 3 dargestellt, kann dann zusätzlich Gas aus dem Inneren des Steuerrohrs 15 über den Verbindungskanal 19 zusätzlich in das Strömungsfeld 7 strömen, wie durch die Pfeile angedeutet. 3 shows in a partial enlargement of 2 the gas control device 14 in the illustrated example, a head tube 15 with openings 16 in a control channel 17 having. The head tube 15 is by means of a in 1 and 4 indicated drive 18 , preferably a stepper motor or the like, in the feed channel 17 rotatable. The breakthroughs 16 are designed and arranged such that, depending on the rotational position of the control tube 15 connecting channels 19 between the control channel 17 and the flow fields 7 single or groupwise - that is for the fuel cells 2 only individually or for a group of fuel cells 2 - are releasable. In the released state, as in 3 can then additionally gas from the interior of the head tube 15 over the connection channel 19 additionally in the flow field 7 flow as indicated by the arrows.

Beim Darstellungsbeispiel wird die Gassteuereinrichtung 14 mit Gas, insbesondere Luft oder einem sonstigen Oxidationsgas, versorgt, wobei der Gas druck vorzugsweise etwas höher als der Gasdruck der Gaszuführung 8 bzw. der in dem Zuführkanal 10 herrschende Gasdruck ist. So kann je nach Drehlage des Steuerrohrs 15 Gas aus dem Inneren des Steuerrohrs 15 über den von der Durchgangsöffnung 16 freigegebenen Verbindungskanal 19 in das zugeordnete Strömungsfeld 7 strömen und dementsprechend dessen Gasstrom – also den Gasstrom durch das Strömungsfeld 7 – erhöhen. Entsprechendes gilt, wenn die Gassteuereinrichtung 14 bzw. das Steuerrohr 15 gleichzeitig mehrere Verbindungskanäle 19 zu einer Gruppe von Brennstoffzellen 2 öffnet.In the illustrated example, the gas control device 14 supplied with gas, in particular air or other oxidizing gas, wherein the gas pressure is preferably slightly higher than the gas pressure of the gas supply 8th or in the feed channel 10 prevailing gas pressure is. Thus, depending on the rotational position of the head tube 15 Gas from inside the head tube 15 over the from the passage opening 16 shared connection channel 19 in the associated flow field 7 and, accordingly, its gas flow - ie the gas flow through the flow field 7 - increase. The same applies if the gas control device 14 or the head tube 15 simultaneously several connection channels 19 to a group of fuel cells 2 opens.

Folglich ist mittels der Gassteuereinrichtung 14 bzw. des Steuerrohrs 15 eine einzelweise oder gruppenweise Steuerung oder gegebenenfalls sogar Regelung der Gasströme durch die Strömungsfelder 7 möglich.Consequently, by means of the gas control device 14 or the head tube 15 an individual or group control or possibly even control of the gas flows through the flow fields 7 possible.

Beim Darstellungsbeispiel verläuft der Steuerkanal 17 vorzugsweise parallel zum Zuführkanal 10 und durchgreift die hintereinander bzw. geschichtet angeordneten Brennstoffzellen 2.In the illustration example, the control channel runs 17 preferably parallel to the feed channel 10 and passes through the fuel cells arranged one behind the other or stratified 2 ,

Das Steuerrohr 15 ist beim Darstellungsbeispiel drehbar. Alternativ oder zusätzlich kann es auch axial bewegbar sein, um die gewünschte wahlweise Freigabe oder Sperrung der Verbindungskanäle 19 zu den einzelnen Strömungsfeldern 7 zu bewirken.The head tube 15 is rotatable in the representation example. Alternatively or additionally, it may also be axially movable to provide the desired selective release or blocking of the connection channels 19 to the individual flow fields 7 to effect.

Zusätzlich oder alternativ kann im Steuerrohr 15 auch eine weiteres, nicht dargestelltes Steuerrohr oder sonstiges Stellglied vorgesehen sein, insbesondere wobei die beiden relativ zueinander bewegbar bzw. verstellbar sind, um die gewünschten Steuerfunktionen zu erreichen.Additionally or alternatively, in the head tube 15 Also, another, not shown control tube or other actuator may be provided, in particular wherein the two are relatively movable or adjustable to achieve the desired control functions.

Alternativ oder zusätzlich kann das Steuerrohr 15 auch als eine Walze oder als ein sonstiges geeignetes Stellelement ausgebildet sein. Dementsprechend ist der Begriff "Steuerrohr" bei der vorliegenden Erfindung vorzugsweise in einem weiten Sinn, sehr allgemein also als Stellelement zu verstehen.Alternatively or additionally, the control tube 15 Also be designed as a roller or as another suitable actuator. Accordingly, the term "head tube" in the present invention is preferably to be understood in a broad sense, very generally as an actuator.

Bemerkenswert ist, daß vorzugsweise nur eine einzige, also gemeinsame Gassteuereinrichtung 15 für alle Brennstoffzellen 2 oder zumindest für eine Gruppe von Brennstoffzellen 2 vorgesehen ist.It is noteworthy that preferably only a single, so common gas control device 15 for all fuel cells 2 or at least for a group of fuel cells 2 is provided.

Beim Darstellungsbeispiel ist die Gassteuereinrichtung 14 oder zumindest deren Steuerrohr 15 in die Brennstoffzellen 2 integriert bzw. durchgreift diese. Alternativ kann das Steuerrohr 15 auch außerhalb davon angeordnet und über entsprechende Verbindungen an die Brennstoffzellen 2 angeschlossen sein.In the illustrated example, the gas control device 14 or at least their head tube 15 into the fuel cells 2 integrates or passes through the se. Alternatively, the head tube 15 also arranged outside thereof and via appropriate connections to the fuel cells 2 be connected.

Anstelle einer Zuführung von zusätzlichem Gas mit insbesondere gegenüber der Gaszuführung 8 bzw. dem Zuführkanal 10 erhöhtem Gasdruck kann die Gassteuereinrichtung 14 auch einer nicht dargestellten Bereitstellung von Steuergas zur Betätigung von nicht dargestellten Ventilen, Druckreglern, Drosseln oder dergleichen dienen, um die Gasströme durch die Strömungsfelder 7 entsprechend – also einzelweise oder gruppenweise für die Brennstoffzellen 2 – zu steuern oder gegebenenfalls zu regeln. Vorzugsweise wird hierzu dann wiederum Luft bzw. das gleiche Gas wie für die Gaszuführung 8 als Steuergas verwendet.Instead of a supply of additional gas in particular with respect to the gas supply 8th or the feed channel 10 increased gas pressure, the gas control device 14 Also, a non-illustrated provision of control gas for actuating valves, pressure regulators, throttles or the like, not shown, to the gas flows through the flow fields 7 accordingly - ie single or groupwise for the fuel cells 2 - to control or regulate if necessary. Preferably, this is then in turn air or the same gas as for the gas supply 8th used as control gas.

4 zeigt in schematischer Darstellung eine Draufsicht der Brennstoffzellenanordnung 1. Der Zuführkanal 10 ist an eine Hauptpumpe 20 der Gaszuführung 8 angeschlossen. Bedarfsweise kann ein nicht dargestellter Druckspeicher oder dergleichen zwischengeschaltet sein. 4 shows a schematic representation of a plan view of the fuel cell assembly 1 , The feed channel 10 is at a main pump 20 the gas supply 8th connected. If necessary, an unillustrated pressure accumulator or the like may be interposed.

Die Gassteuereinrichtung 14, insbesondere deren Steuerkanal 17 bzw. das Innere des Steuerrohrs 15, ist vorzugsweise über eine Zusatzpumpe 21 an die Gaszuführung 8, insbesondere an die Abströmseite der Hauptpumpe 20, angeschlossen. Die Zusatzpumpe 21 dient einer Erhöhung des Gasdrucks, wobei eine bereits geringe Erhöhung, beispielsweise um 50 bis 200 Pa je nach Strömungsverhältnissen, genügt.The gas control device 14 , in particular its control channel 17 or the interior of the head tube 15 , is preferably via an auxiliary pump 21 to the gas supply 8th , in particular to the downstream side of the main pump 20 , connected. The auxiliary pump 21 serves to increase the gas pressure, with an already small increase, for example by 50 to 200 Pa, depending on the flow conditions, is sufficient.

Um den beim Darstellungsbeispiel gewünschten höheren Gasdruck der Gassteuereinrichtung 14 gegenüber dem Gasdruck im Zuführkanal 10 zu erreichen, kann alternativ oder zusätzlich zu der Zusatzpumpe 21 bzw. einer sonstigen Druckerhöhungseinrichtung auch eine Drossel, ein Ventil oder Druckregler 22 oder dergleichen dem Zuführkanal 10 zugeordnet sein, wie in 4 angedeutet.To the desired in the representation example higher gas pressure of the gas control device 14 opposite to the gas pressure in the feed channel 10 to achieve, alternatively or in addition to the auxiliary pump 21 or another pressure booster also a throttle, a valve or pressure regulator 22 or the like to the feed channel 10 be assigned as in 4 indicated.

Weiter kann die Gaszuführung 8 außerdem eine nicht dargestellte Einrichtung zur Beeinflussung und gegebenenfalls Festlegung oder Einstellung der Feuchte des zugeführten Gases, wie Luft, aufweisen.Next, the gas supply 8th In addition, a device, not shown, for influencing and optionally fixing or adjusting the humidity of the supplied gas, such as air, have.

Die Brennstoffzellenanordnung 1 weist ferner vorzugsweise eine Steuereinrichtung 23 auf, die insbesondere einer Steuerung des Antriebs 18, der Hauptpumpe 20, der Zusatzpumpe 21, des Druckreglers bzw. Ventils 22 und/oder sonstiger Einrichtungen dient.The fuel cell assembly 1 further preferably comprises a control device 23 on, in particular, a control of the drive 18 , the main pump 20 , the auxiliary pump 21 , the pressure regulator or valve 22 and / or other facilities.

Die Steuereinrichtung 23 dient ferner vorzugsweise einer Erfassung der von den einzelnen Brennstoffzellen 2 abgegebenen elektrischen Leistung bzw. Spannung.The control device 23 Furthermore, it preferably serves to detect the individual fuel cells 2 delivered electrical power or voltage.

Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinrichtung 23 auch den Gasdruck, insbesondere auf der Abströmseite der Strömungsfelder 7, erfassen. Insbesondere ist hierzu ein Drucksensor 24 der Gasabführung 9 bzw. dessen Ableitungskanal 11 zugeordnet, wie in 1 angedeutet.Alternatively or additionally, the control device 23 also the gas pressure, especially on the downstream side of the flow fields 7 , to capture. In particular, this is a pressure sensor 24 the gas discharge 9 or its discharge channel 11 assigned as in 1 indicated.

Wenn die Leistung oder elektrische Spannung einer Brennstoffzelle 2 sinkt, deutet dies daraufhin, daß sich der Befeuchtungsgrad dieser Brennstoffzelle 2 (in unerwünschter Weise) erhöht hat, wodurch deren Leistungsfähigkeit beeinträchtigt wird.When the power or electrical voltage of a fuel cell 2 decreases, this indicates that the degree of humidification of this fuel cell 2 has (undesirably) increased, thereby affecting their performance is impaired.

Mittels der Gassteuereinrichtung 14 wird dann der Gasstrom durch die betreffende Brennstoffzelle 2 erhöht, um der mit dem erhöhten Befeuchtungsgrad einhergehenden Erhöhung des Strömungswiderstands zu begegnen und insbesondere dem Befeuchtungsgrad wieder zu reduzieren bzw. normalisieren. Durch den erhöhten Gasstrom erfolgt also eine kathodenseitige "Trocknung" bzw. Verringerung der Befeuchtung der Brennstoffzelle 2, insbesondere der Membran 4.By means of the gas control device 14 then the gas flow through the fuel cell in question 2 increased, in order to counteract the increase in the flow resistance associated with the increased degree of moistening and in particular to reduce or normalize the degree of moistening again. Due to the increased gas flow, therefore, a cathode-side "drying" or reduction of the humidification of the fuel cell takes place 2 , in particular the membrane 4 ,

Je nach Ausgestaltung kann die Erhöhung des Gasstroms bedarfsweise auch gleichzeitig für mehrere Brennstoffzellen 2 – also gruppenweise – erfolgen.Depending on the configuration, the increase in the gas flow may, if necessary, also simultaneously for a plurality of fuel cells 2 - in groups - done.

Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Bestimmung des Druckabfalls, des Strömungswiderstands oder eines sonstigen, vom Befeuchtungsgrad abhängi gen Wert der Strömungsfelder 7 vorzugsweise separat für jede einzelne Strömungszelle 2 erfolgen. Hierzu wird die Zuführung von Gas zum Zuführkanal 10 – beispielsweise mittels des Druckreglers bzw. Ventils 22 – unterbrochen. Anschließend wird durch entsprechende Bewegung, insbesondere kontinuierliches Drehen, des Steuerrohrs 15 den einzelnen Brennstoffzellen 2 bzw. deren kathodenseitigen Strömungsfeldern 7 nacheinander kurzzeitig Gas zugeführt. Durch das zyklische Freigeben und Sperren der Verbindungskanäle 19 zu den Strömungsfeldern 7 erfolgt insbesondere eine pulsartige Gaszuführung.Alternatively or additionally, it is also possible to determine the pressure drop, the flow resistance or another value of the flow fields depending on the degree of moistening 7 preferably separately for each individual flow cell 2 respectively. For this purpose, the supply of gas to the feed channel 10 - For example, by means of the pressure regulator or valve 22 - interrupted. Subsequently, by appropriate movement, in particular continuous turning, of the head tube 15 the individual fuel cells 2 or their cathode-side flow fields 7 gas is supplied successively for a short time. By cyclically enabling and disabling the connection channels 19 to the flow fields 7 in particular, a pulse-like gas supply takes place.

Mittels des Drucksensors 24 werden die Druckpulse abströmseitig erfaßt, wobei die Höhe der erfaßten Druckpulse ein Maß für den Druckabfall bzw. Strömungswiderstand in der jeweiligen Brennstoffzelle 2 darstellt. So wird auf einfache Weise der Druckabfall, Strömungswiderstand oder ein sonstiger, vom Befeuchtungsgrad abhängiger Wert der einzelnen Strömungsfelder 7 bestimmt, was nachfolgend kurz als "Druckmessung" bezeichnet wird.By means of the pressure sensor 24 the pressure pulses are detected downstream, wherein the height of the detected pressure pulses is a measure of the pressure drop or flow resistance in the respective fuel cell 2 represents. Thus, in a simple way, the pressure drop, flow resistance or other, depending on the degree of humidification value of the individual flow fields 7 determines what is hereinafter referred to as "pressure measurement".

Die Druckmessung erfolgt vorzugsweise zyklisch für alle Brennstoffzellen 2. In Abhängigkeit von der Druckmessung kann dann der Gasstrom einer Brennstoffzelle 2 mit erhöhtem Druckabfall bzw. Strömungswiderstand oder erhöhtem Befeuchtungsgrad mittels der Gassteuereinrichtung 14 erhöht werden. Insbesondere erfolgt eine Steuerung oder ggf. sogar Regelung des Gasstroms durch die betreffende Brennstoffzelle 2 in Abhängigkeit vom Ergebnis der Druckmessung.The pressure measurement is preferably cyclical for all fuel cells 2 , Depending on the pressure measurement then the gas flow of a fuel cell 2 with increased pressure drop or flow resistance or increased degree of humidification by means of the gas control device 14 increase. In particular, a control or possibly even regulation of the gas flow takes place through the relevant fuel cell 2 depending on the result of the pressure measurement.

Vorzugsweise wird die Druckmessung für die Brennstoffzellen 2 periodisch wiederholt, so daß eine fortlaufende Überwachung ermöglicht wird.Preferably, the pressure measurement for the fuel cells 2 periodically repeated so that continuous monitoring is enabled.

Die Druckmessung kann unabhängig von der Überwachung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellen 2 oder zusätzlich dazu, insbesondere nach Feststellung eines Leistungsabfalls einer Brennstoffzelle 2, eingesetzt werden.The pressure measurement can be independent of the monitoring of the performance of the fuel cells 2 or in addition, especially after detecting a power loss of a fuel cell 2 , are used.

Vorschlagsgemäß ist es also möglich, den Gasstrom durch die Strömungsfelder 7 einzelweise oder gruppenweise für die Brennstoffzellen 2 in Abhängigkeit von der Leistung, der Spannung, dem Strömungswiderstand, dem Befeuchtungsgrad oder eines sonstigen damit korrelierten Werts der jeweiligen Brennstoffzelle(n) 2 zu steuern oder zu regeln.According to the proposal, it is possible, the gas flow through the flow fields 7 singly or in groups for the fuel cells 2 depending on the power, the voltage, the flow resistance, the degree of humidification or any other value correlated therewith of the respective fuel cell (s) 2 to control or regulate.

Alternativ oder zusätzlich kann die vorschlagsgemäße Lösung – also die einzelweise oder gruppenweise Steuerung der Gasströme und/oder die Druckmessung – auch brenngasseitig, also für die Brenngaszuführung 12 und Brenngasableitung 13 bzw. die anodenseitigen Strömungsfelder 6 eingesetzt werden. Dies ermöglicht wiederum auf einfache Weise eine optimierte, individuelle Steuerung der einzelnen Brennstoffzellen 2.Alternatively or additionally, the proposed solution - ie the individual or group control of the gas streams and / or the pressure measurement - also on the fuel gas side, so for the fuel gas supply 12 and fuel gas discharge 13 or the anode-side flow fields 6 be used. This in turn allows an optimized, individual control of the individual fuel cells in a simple manner 2 ,

Claims

Fuel cell assembly ( 1 ) with a plurality of, preferably stratified fuel cells ( 2 ), each fuel cell ( 2 ) a flow field ( 7 ) for gas, in particular air or another oxidizing gas, and wherein the flow fields ( 7 ) parallel to a gas supply ( 8th ) and a gas discharge ( 9 ) are connected, characterized in that the fuel cell assembly ( 1 ) one for several or all fuel cells ( 2 ) common gas control device ( 14 ) for individual or group-wise control of the gas flows through the flow fields ( 7 ) having.

Fuel cell arrangement according to Claim 1, characterized in that the gas control device ( 14 ) of the gas supply ( 8th ) assigned.

Fuel cell arrangement according to Claim 1 or 2, characterized in that by means of the gas control device ( 14 ) the flow fields ( 7 ) individually or in groups preferably additionally gas, in particular with respect to the gas supply ( 8th ) increased pressure, can be supplied.

Fuel cell arrangement according to Claim 1 or 2, characterized in that by means of the gas control device ( 14 ) the flow fields ( 7 ) individually or in groups control gas for controlling the gas flows through the flow fields ( 7 ) can be fed.

Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the gas control device ( 14 ) at least one head tube ( 15 ), in particular with openings ( 16 ), for individual or group-wise control of the supply of preferably additional gas to the flow fields ( 7 ) or the gas flows in the flow fields ( 7 ) controlling gas.

Fuel cell arrangement according to Claim 5, characterized in that the control tube ( 15 ) is axially movable and / or rotatable, in particular by means of a drive ( 18 ), preferably a stepper motor.

Fuel cell arrangement according to Claim 5 or 6, characterized in that the control tube ( 15 ) in a control channel ( 17 ) is arranged, the fuel cells ( 2 ) and to which the flow fields ( 7 ), in particular parallel, are connected.

Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the gas supply ( 8th ) a feed channel ( 10 ), which the fuel cells ( 2 ) and to which the flow fields ( 7 ), in particular wherein the feed channel ( 10 ) to a main pump ( 20 ) of the gas supply ( 8th ) connected.

Fuel cell arrangement according to Claims 7 and 8, characterized in that the control channel ( 17 ) and the feed channel ( 10 ) parallel and / or parallel to the flow fields ( 7 ) are connected.

Fuel cell arrangement according to Claim 8 or 9, characterized in that the gas control device ( 14 ) also to the main pump ( 20 ) is connected, wherein the gas pressure in the feed ( 10 ) relative to the gas control device ( 14 ), in particular by means of a throttle or a pressure regulator ( 22 ), is reducible.

Fuel cell arrangement according to Claim 7 or 9, characterized in that the control tube ( 15 ) depending on its location connection channels ( 19 ) from the control channel ( 17 ) to the flow fields ( 7 ) locks individually or in groups or releases.

Fuel cell arrangement according to Claim 7, 9 or 11, characterized in that the control channel ( 17 ) or the control tube ( 15 ) to an auxiliary pump ( 21 ) or controllable main pump ( 20 ) for acting with respect to the gas supply ( 8th ) is connected to increased gas pressure.

Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the gas flows through the flow fields ( 7 ) and / or the flow fields ( 7 ) individually and preferably pulse-like gas by means of the gas control device ( 14 ) can be fed.

Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell arrangement ( 1 ) in the gas discharge ( 9 ) a pressure sensor ( 24 ) for determining the respective pressure drop, flow resistance or any other value dependent on the degree of moistening.

Fuel cell arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the gas flow through a flow field ( 7 ) a fuel cell ( 2 ) is controllable or controllable depending on its power, its voltage, its flow resistance, its degree of humidification or any other value correlated therewith.

Method for operating a fuel cell arrangement (preferably in accordance with one of the preceding claims) ( 1 ) with a plurality of, preferably stratified fuel cells ( 2 ), each fuel cell ( 2 ) a flow field ( 7 ) for gas, in particular air or another oxidizing gas, and wherein the flow fields ( 7 ) parallel to a gas supply ( 8th ) and a gas discharge ( 9 ), characterized in that the gas flows through the flow fields ( 7 ) individually or in groups as a function of the power, the voltage, the flow resistance, the degree of humidification or any other value of the respective fuel cell (s) correlated therewith ( 2 ), and / or that the pressure drop, flow resistance or other value of the flow fields ( 7 ) for each fuel cell ( 2 ) is determined individually.

Process according to claim 16, characterized in that the gas flow through a flow field ( 7 ) is increased when the power or voltage of the respective fuel cell ( 2 ) sinks.

Process according to claim 16 or 17, characterized in that the gas flow through a flow field ( 7 ) is increased when the pressure drop, flow resistance or degree of humidification of the flow field ( 7 ) increases.

Process according to one of Claims 16 to 18, characterized in that the gas flow through a flow field ( 7 ), in which this flow field ( 7 ) is additionally gas, in particular at elevated pressure, is supplied.

Method according to one of claims 16 to 19, characterized in that the pressure drop, flow resistance or another, depending on the degree of humidification value of the flow fields ( 7 ) for each fuel cell ( 2 ) individually by means of a common pressure sensor ( 24 ) in the gas discharge ( 9 ) is determined.

Method according to one of claims 16 to 20, characterized in that for the individual determination of the pressure drop, the flow resistance or another, depending on the degree of humidification value of the flow fields ( 7 ) the gas flows through the flow fields ( 7 ) are optionally blocked and / or the flow fields ( 7 ) is supplied individually and preferably pulse-like gas.

Method according to one of Claims 16 to 21, characterized in that the individual determination of the pressure drop, the flow resistance or another value of the flow fields dependent on the degree of humidification ( 7 ) cyclically for all fuel cells ( 2 ) and / or periodically.